超寬帶光電探測器是光通信、熱監測、安防成像等領域的核心元器件，單器件集成寬光譜響應能力是當前的重要發展方向。傳統寬帶探測系統多采用多波段探測器拼接方案，不僅體積大、成本高，還存在響應一致性差、光路校準復雜等問題。在單器件實現方案中，二維過渡金屬硫族化合物異質結雖性能優異，但存在大面積制備困難、光吸收效率低等短板；石墨烯雖具備本征寬帶吸收，但零帶隙導致暗電流過大，探測靈敏度受限；氧化物半導體工藝簡單、穩定性好，但絕大多數帶隙較寬，難以覆蓋近紅外及更長波段。更關鍵的是，傳統異質結結構普遍存在晶格失配問題，界面處會引入大量缺陷態，引發嚴重的非輻射載流子復合，直接制約探測器的靈敏度與響應速度，這已成為超寬帶探測器性能提升的核心瓶頸。因此，開發兼具低界面復合、寬光譜覆蓋、高穩定性且工藝兼容的超寬帶探測器，是當前光電子領域的重要挑戰。
據麥姆斯咨詢報道，近日，中國石油大學（華東）與南京大學和哈佛醫學院的聯合研究團隊創新性構建了多壁碳納米管（MWCNT）/PdO/p-Si p-p同型異質結結構，研制出室溫自供電超寬帶光電探測器。器件覆蓋紫外至中紅外波段，零偏壓下808 nm處比探測率達5.85×1013 Jones，響應速度達微秒級，同時具備優異的長期環境穩定性。基于雙波段差異化響應特性，研究團隊進一步實現了雙通道加密光通信與距離無關的比色熱監測，為超寬帶光電探測的集成化、功能化應用提供了全新技術路徑。研究成果以“Self-Powered Ultra-Broadband p-p MWCNTs/PdO/Si Homomorphic Heterostructure Photodetector for Dual-Channel Encrypted Optical Communication and Thermal Monitoring”為題發表在Small期刊上。
MWCNT/PdO/p-Si光電探測器的工作機制
該超寬帶探測器采用分層響應的物理機制，紫外至波段主要依賴PdO/p-Si p-p異質結的本征光電效應，中紅外波段則由MWCNT的本征躍遷與光熱電效應共同貢獻，二者通過能帶匹配實現高效協同。圖1展示了WCNT/PdO/p-Si異質結的制備、寬帶光響應及應用示意圖。該器件突破了單一材料的帶隙限制，構建了“本征光電效應+光熱電效應”的雙響應機制，真正實現了單器件的超寬帶連續覆蓋。同時p-p同型異質結的設計理念，也為各類異質結光電器件降低界面損耗、提升載流子輸運效率提供了可推廣的通用方案。
圖1 MWCNT/PdO/p-Si異質結的制備、寬帶光響應及應用示意圖
PdO與MWCNT材料的特性表征
研究團隊采用磁控濺射結合熱氧化的兩步法制備PdO薄膜，整體工藝與硅基CMOS制程高度兼容，具備大面積、低成本制備的潛力。通過精準調控初始Pd膜的厚度，可實現PdO形貌的可控演化，進而優化器件性能。圖2展示了dO、PdO/p-Si以及MWCNT/PdO/p-Si的表征分析。MWCNT通過溶液分散后轉移至PdO表面，依靠范德華力形成穩定結合，在表面構成隨機分布的互聯網絡，既保障了中紅外光吸收，也為載流子提供了額外的高速傳輸通路。
圖2 PdO、PdO/p-Si以及MWCNT/PdO/p-Si的表征分析
MWCNT/PdO/p-Si異質結光電探測器的寬帶光響應特性
研究團隊對該MWCNTs/PdO/p-Si異質結光電探測器進行了系統的觀點測試，相關結果如圖3所示。結果證明，該異質結光電探測器在自供電模式下實現了超寬帶、高靈敏、快響應與高穩定性的綜合性能突破。在零偏壓自供電工作模式下，器件在808 nm近紅外波段達到峰值性能；在室溫無制冷條件下，器件對3.7 μm中紅外輻射具有清晰的開關響應，光暗比接近60倍，比探測率可達0.34~0.4×10? Jones。
圖3 MWCNT/PdO/p-Si異質結光電探測器的光響應性能與穩定性研究
雙通道加密光通信與熱監測
基于該異質結光電探測器在近紅外與中紅外波段差異化的響應幅度與瞬態特性，研究團隊進一步開發了雙通道加密光通信與熱監測兩大創新應用場景，完成了從器件性能提升到系統功能驗證的完整閉環。相關結果如圖4和圖5所示。研究團隊搭建了自由空間光通信系統，采用808 nm近紅外激光與中紅外黑體輻射作為兩個獨立信號通道。
圖4 利用MWCNT/PdO/p-Si超寬帶光電探測器在近紅外和中紅外波段，實現摩爾斯電碼和ASCII的雙通道加密光通信技術
基于比色測溫原理，研究團隊利用器件的雙通道響應構建了距離無關的熱監測系統。實驗在10~30 cm范圍內改變探測器與熱源的距離，結果顯示絕對光電流隨距離增加逐漸減小，但中紅外與近紅外的光電流比值基本保持不變，有效消除了位置因素的干擾。在375~500℃溫度范圍內，光電流比值隨溫度升高單調上升，具有清晰的溫度分辨能力，可實現遠程熱源的非接觸溫度監測。
圖5 MWCNT/PdO/p-Si超寬帶光電探測器器件的距離無關型熱監測
https://doi.org/10.1002/smll.74626
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